DE102008040170A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

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Abstract

Ein Brennstoffeinspritzventil (1), das insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dient, weist einen Aktor (19) und eine Düsennadel (4) auf. Dabei ist die Düsennadel (4) mittels eines Steuerventils (15) von dem Aktor (19) betätigbar. Das Steuerventil (15) umfasst einen Ventilraum (32), der über einen Bypasskanal (21) mit einem Hochdruckzulauf (8) verbindbar ist und einen Steuerventilkörper (26), der zum Steuern der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Hochdruckzulauf (8Verbindung des Ventilraums (32) mit einem Brennstoffrücklauf (16) dient. Dabei ist der Steuerventilkörper (26) beim Steuern der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Brennstoffrücklauf (16) annähernd kraftausgeglichen und außerdem beim Steuern der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Hochdruckzulauf (8) über den Bypasskanal (21) ebenfalls annähernd kraftausgeglichen. Dadurch ist eine relativ geringe Kraft zum Betätigen des Steuerventilkörpers (26) des Steuerventils (15) erforderlich. Dadurch kann der Aktor (19) beispielsweise als Magnetaktor ausgestaltet sein.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil, insbesondere einen Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
  • Aus der DE 103 53 169 A1 ist ein Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen bekannt. Der Injektor ist dabei als Piezoaktor gesteuerter Common-Rail-Injektor ausgestaltet. Der Injektor weist in einem Injektorkörper angeordnete Steuermittel auf, vornehmlich einen Piezoaktor, die über einen Übersetzerkolben ein in einer Ventilplatte aufgenommenes Steuerventil betätigen. Ferner ist ein Düsenkörper vorgesehen, an dessen brennraumseitigen freien Ende ein Düsenaustritt ausgebildet ist, wobei eine Düsennadel vorgesehen ist, die in einer Längsausnehmung des Düsenkörpers axial beweglich angeordnet ist. Eine Drosselscheibe, die einen Öffnungsanschlag für die Düsennadel bildet, ist zwischen dem Düsenkörper und dem Steuerventil angeordnet und schließt das rückwärtige vom Düsenaustritt abgewandte Ende der Längsausnehmung ab. Hierbei wirkt die Drosselscheibe mit der rückseitigen vom Düsenaustritt abgewandten Stirnfläche der Düsennadel zusammen, um den Öffnungshub der Düsennadel zu begrenzen.
  • Zwischen der rückwärtigen Düsennadel-Stirnfläche und der Drosselscheibe ist ein Steuerraum ausgebildet, der mit einem der Kraftzuführung dienenden Druckanschluss in hydraulischer Verbindung steht. Dabei ist im Injektorkörper ein zylindrischer Haltekörper angeordnet, der den Übersetzerkolben und die das Steuerventil enthaltende Ventilplatte aufnimmt. Aus einem unter Hochdruck stehenden Ringraum kann über eine Bohrung, die einen Bypass darstellt, Kraftstoff in einen Ventilraum des Steuerventils strömen.
  • Der aus der DE 103 53 169 A1 bekannte Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff hat den Nachteil, dass relativ große Kräfte zur Betätigung des Steuerventils erforderlich sind. Dies betrifft insbesondere den Fall eines Common-Rail-Injektors, bei dem der unter Hochdruck stehende Kraftstoff im Ventilraum des Steuerventils das Steuerventil gegen einen Niederdruck geschlossen hält.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Steuerventilkörper mit einer reduzierten und insbesondere relativ geringen Kraft betätigt werden kann. Speziell kann das Brennstoffeinspritzventil mit einem Magnetaktor zur Betätigung des Steuerventilkörpers ausgestattet sein oder die Anforderung an einen piezoelektrischen Aktor oder dergleichen können verringert werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
  • In vorteilhafter Weise ist eine Ventilfeder vorgesehen, die den Steuerventilkörper beaufschlagt. Dabei kann die Ventilfeder entgegen der Kraft des Aktors wirken, so dass die Betätigung des Ventilkörpers zumindest im Wesentlichen entgegen der Ventilfeder erfolgt.
  • Vorteilhaft ist es, dass der Steuerventilkörper eine Stirnfläche aufweist, an der der Steuerventilkörper von einem Niederdruck des Brennstoffrücklaufs beaufschlagt ist, dass der Steuerventilkörper an einem der Stirnfläche abgewandten Ende eine Steuerkante für einen ersten Sitz aufweist, dass eine durch die Steuerkante des Steuerventilkörpers bestimmte wirksame Fläche des Steuerventilkörpers mit dem Niederdruck des Brennstoffrücklaufs beaufschlagt ist, wobei die durch die Steuerkante bestimmte wirksame Fläche zumindest annähernd gleich einer wirksamen Fläche der Stirnfläche des Steuerventilkörpers ist. Dadurch kann gezielt ein hydraulisches Kraftverhältnis im Bereich des ersten Sitzes vorgegeben werden. Dies ermöglicht beim Öffnen und Schließen des an dem ersten Sitz gebildeten Dichtsitzes eine Betätigung mit relativ geringer Aktorkraft.
  • Dabei ist es beispielsweise von Vorteil, dass die durch die Steuerkante des Steuerventilkörpers bestimmte wirksame Fläche gleich der wirksamen Fläche der Stirnfläche des Steuerventilkörpers ist, um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums mit dem Brennstoffrücklauf einen hydraulischen Kraftausgleich an dem ersten Sitz für den Steuerventilkörper zu erreichen. In diesem Fall kann das Öffnen und Schließen durch die Kraft des Aktors erfolgen, zu der gegebenenfalls eine Federkraft einer Ventilfeder hinzukommt. Der Aktor kann dann beispielsweise allein entgegen der Federkraft arbeiten.
  • Vorteilhaft ist es aber auch, dass die durch die Steuerkante des Steuerventilkörpers bestimmte wirksame Fläche etwas größer ist als die wirksame Fläche der Stirnfläche des Steuerventilkörpers, um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums mit dem Brennstoffrücklauf eine hydraulische Schließkraft an dem ersten Sitz zu erzeugen. Dadurch wird der Steuerventilkörper bei geschlossenem Dichtsitz an dem ersten Sitz hydraulisch in dem geschlossenen Zustand gehalten. Dies ermöglicht eine Auslegung, bei der der Aktor zum Öffnen gegen die Schließkraft arbeitet. Hierbei kann auch zusätzlich die Kraft einer Ventilfeder berücksichtigt werden, so dass je nach Ausgestaltung die Ventilfeder eine entlastende, überkompensierende oder verstärkende Wirkung in Bezug auf die hydraulische Schließkraft hat.
  • Des weiteren ist es auch vorteilhaft, dass die durch die Steuerkante des Steuerventilkörpers bestimmte wirksame Fläche etwas kleiner ist als die wirksame Fläche der Stirnfläche des Steuerventilkörpers, um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums mit dem Brennstoffrücklauf eine hydraulische Öffnungskraft an dem ersten Sitz zu erzeugen. Dies ermöglicht eine Auslegung, bei der der Aktor durch Aktorkraft den Steuerkörper im geschlossenen Zustand an dem ersten Sitz hält. Hierbei kann zu der Aktorkraft auch die Federkraft einer Ventilfeder addiert werden.
  • Somit kann bei dem Steuerventilkörper durch unterschiedliche Ausgestaltungen eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall erfolgen, wobei zumindest im Wesentlichen ein annähernder hydraulischer Kraftausgleich an dem ersten Sitz für den Steuerventilkörper erreicht werden kann.
  • Vorteilhaft ist es, dass der Steuerventilkörper in einer Führungsbohrung angeordnet ist, dass der Steuerventilkörper im Bereich der Führungsbohrung zumindest eine Stufe aufweist, wobei der Steuerventilkörper an der Stufe über den Bypasskanal mit einem Hochdruck des Hochdruckzulaufs beaufschlagt ist, dass der Steuerventilkörper eine Steuerstufe aufweist, die der Stufe zugewandt ist, und dass an der Steuerstufe ein zweiter Sitz vorgesehen ist, der zum Sperren der Verbindung des Ventilraums mit dem Hochdruckzulauf über den Bypasskanal dient, und dass eine durch den zweiten Sitz vorgegebene wirksame Fläche des Steuerventilkörpers an der Steuerstufe zumindest annähernd gleich einer wirksamen Fläche an der Stufe des Steuerventilkörpers ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein annähernder hydraulischer Ausgleich beim Schließen und Öffnen des zweiten Sitzes erfolgen.
  • Hierbei ist es vorteilhaft, dass beispielsweise die durch den zweiten Sitz vorgegebene wirksame Fläche des Steuerventilkörpers an der Steuerstufe gleich ist einer wirksamen Fläche an der Stufe des Steuerventilkörpers, um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums mit dem Hochdruckzulauf über den Bypasskanal einen hydraulischen Kraftausgleich an dem zweiten Sitz für den Steuerventilkörper zu erreichen. Hierdurch kann mit einer relativ geringen Aktorkraft ein Öffnen und Schließen des Dichtsitzes an dem zweiten Sitz erfolgen. Dabei ist es auch möglich, dass entgegen einer Kraft einer Ventilfeder eine Betätigung durch den Aktor erfolgt.
  • Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass die durch den zweiten Sitz vorgegebene wirksame Fläche des Steuerventilkörpers an der Steuerstufe größer ist als die wirksame Fläche an der Stufe des Steuerventilkörpers, um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums mit dem Hochdruckzulauf über den Bypasskanal eine hydraulische Schließkraft an dem zweiten Sitz für den Steuerventilkörper zu erreichen. Dadurch kann der Steuerventilkörper in der geschlossenen Stellung an dem zweiten Sitz durch die hydraulische Schließkraft gehalten werden. Hierbei kann zusätzlich auch die Kraft einer Ventilfeder wirken.
  • Somit sind je nach Anwendungsfall vorteilhafte Auslegungen auch im Bereich des zweiten Sitzes möglich.
  • Vorteilhaft ist es, dass der Steuerventilkörper in einer Führungsbohrung geführt ist, dass der Steuerventilkörper zwischen der Stufe und der Steuerstufe eine ringförmige Ausnehmung aufweist und dass der Bypasskanal in einen durch die ringförmige Ausnehmung des Steuerventilkörpers und die Führungsbohrung vorgegebenen Ringspalt mündet. Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass der Steuerventilkörper einen Führungsbolzen aufweist, an dem der Steuerventilkörper in der Führungsbohrung geführt ist, dass eine Stirnfläche des Steuerventilkörpers an dem Führungsbolzen des Steuerventilkörpers ausgebildet ist und dass eine wirksame Fläche der Stirnfläche des Steuerventilkörpers durch einen Durchmesser des Führungsbolzens bestimmt ist. Hierdurch kann das Steuerventil in einem Gehäuseteil oder dergleichen des Brennstoffeinspritzventils ausgebildet werden, wobei durch die Ausgestaltung des Steuerventilkörpers und gegebenenfalls des Gehäuseteils eine Anpassung an den gewünschten Anwendungsfall möglich ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen mit Formeln (1) und (2), in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 ein Brennstoffeinspritzventil in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils des ersten Ausführungsbeispiels in weiterem Detail;
  • 3 eine auszugsweise Darstellung eines Steuerventils mit einem Steuerventilkörper zur weiteren Erläuterung der Erfindung;
  • 4 eine der 3 entsprechende, auszugsweise Darstellung des Steuerventils mit dem Steuerventilkörper zur weiteren Erläuterung der Erfindung und
  • 5 ein Diagramm zur Veranschaulichung möglicher Stellkraftverläufe zum Betätigen des Steuerventilkörpers des Steuerventils.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail 2, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
  • Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Düsenkörper 3 auf, in dem eine Düsennadel 4 angeordnet ist. Dabei wirkt ein Ventilschließkörper 5 der Düsennadel 4 mit einer Ventilsitzfläche 6 des Düsenkörpers 3 zu einem Dichtsitz zusammen. Die Düsennadel 4 ist in einem Brennstoffraum 7 angeordnet, in den über einen Hochdruckzulauf 8 unter hohem Druck stehender Brennstoff aus dem Common-Rail 2 einführbar ist. Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet sich in dem Brennstoffraum 7 daher unter hohem Druck stehender Brennstoff. In dem Brennstoffraum 7 ist außerdem eine Steuerraumhülse 9 angeordnet, in der abschnittsweise die Düsennadel 4 geführt ist. Die Steuerraumhülse 9 stützt sich dabei an ihrer Dichtkante 10 an einer Drosselplatte 11 ab. Dadurch ist zwischen der Drosselplatte 11, der Steuerraumhülse 9 und der Düsennadel 4 ein Steuerraum 12 eingeschlossen. Der Steuerraum 12 ist über eine Zulaufdrossel 13 mit dem Hochdruckzulauf 8 verbunden. Ferner ist der Steuerraum 12 über eine Ablaufdrossel 14 mit einem Steuerventil 15 verbunden.
  • In einer ersten Schaltstellung 15A verbindet das Steuerventil den Steuerraum 12 über die Ablaufdrossel 14 mit dem Hochdruckzulauf 8. Gleichzeitig sperrt das Steuerventil 15 in der ersten Schaltstellung 15A einen Brennstoffrücklauf 16 zu einem Tank 17. Dadurch kann die Ablaufdrossel 14 über einen Bypasskanal 21 in Gegenrichtung von unter hohem Druck stehenden Brennstoff durchströmt werden, um einen schnellen Druckaufbau im Steuerraum 12 über sowohl die Zulaufdrossel 13 als auch die Ablaufdrossel 14 zu erzielen.
  • In einer zweiten Schaltstellung 15B des Schaltventils 15 ist der Steuerraum 12 über die Ablaufdrossel 14 mit dem Brennstoffrücklauf 16 verbunden. Ferner sperrt das Steuerventil 15 in der zweiten Schaltstellung 15B die Verbindung mit dem Hochdruckzulauf 8 über den Bypasskanal 21. Dadurch kann Brennstoff aus dem Steuerraum 12 über die Ablaufdrossel 14 zu dem Brennstoffrücklauf 16 strömen, wodurch der Druck im Steuerraum 12 abfällt. Der Druckabfall ist dabei über das Verhältnis der Drosselwirkung der Ablaufdrossel 14 zu der Drosselwirkung der Zulaufdrossel 13 vorgebbar. Durch den Abfall des Druckes im Steuerraum 12 kann eine Betätigung der Düsennadel 4 erreicht werden, wobei sich die Düsennadel 4 von der Ventilsitzfläche 6 abhebt, so dass ein zwischen dem Ventilschließkörper 5 und der Ventilsitzfläche 6 gebildeter Dichtsitz geöffnet wird und Brennstoff über zumindest eine Düsenöffnung 18 abgespritzt wird.
  • Das Steuerventil 15 ist über einen Magnetaktor 19 zwischen den Schaltstellungen 15A und 15B umschaltbar. Dabei kann zusätzlich eine Ventilfeder 20 auf das Steuerventil 15 einwirken.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist das Steuerventil 15 als Schaltventil ausgestaltet. Das Steuerventil 15 kann auch gedrosselt ausgeführt sein.
  • 2 zeigt den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Brennstoffeinspritzventils 1 in weiterem Detail. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt der Magnetaktor 19 auf einen Anker 25 ein, der mit einem Steuerventilkörper 26 verbunden ist. Dabei weist der Steuerventilkörper 26 eine Stirnfläche 27 auf. Der Anker 25 ist in einem Niederdruckraum 28 angeordnet, der mit dem Brennstoffrücklauf 16 verbunden ist. Durch die auf den Anker 25 wirkenden Druckkräfte des Niederdrucks im Niederdruckraum 28 ist die Stirnfläche 27 des Steuerventilkörpers 26 von dem Niederdruck des Brennstoffrücklaufs beaufschlagt. Die Stirnfläche 27 ist dabei an einem Führungsbolzen 29 des Steuerventilkörpers 26 ausgebildet, wobei der Führungsbolzen 29 in einer Führungsbohrung 30 eines Gehäuseteils 31 geführt ist.
  • Die Zulaufdrossel 13, die Ablaufdrossel 14 und der Brennstoffrücklauf 16 sind in der Drosselplatte 11 ausgebildet. Auf einer dem Steuerraum 12 abgewandten Seite der Drosselplatte 11 ist ein Ventilraum 32 des Steuerventils 15 ausgestaltet, in dem der Steuerventilkörper 26 teilweise angeordnet ist. Dabei weist der Steuerventilkörper 26 eine Steuerkante 33 an einem ersten Sitz 34 auf, die im geschlossenen Zustand des ersten Sitzes 34 mit der Drosselplatte 11 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.
  • Ferner weist der Steuerventilkörper 26 auf der der Drosselplatte 11 zugewandten Seite eine Ausnehmung 35 innerhalb der Steuerkante 33 auf. Die Ausnehmung 35 ist dem Brennstoffrücklauf 16 zugeordnet, wobei sich bei einem geschlossenen ersten Sitz 34 innerhalb der Ausnehmung 35 unter Niederdruck stehender Brennstoff befindet. Somit wird bei geschlossenem ersten Sitz 34 der Steuerventilkörper 26 innerhalb der Steuerkante 33 mit Niederdruck beaufschlagt. Dadurch ist eine wirksame Fläche bestimmt, die senkrecht zu einer Achse 36 des Steuerventilkörpers 26 orientiert ist.
  • Über diese wirksame Fläche ergibt sich eine hydraulische Kraft durch den Niederdruck auf den Steuerventilkörper 26. Diese hydraulische Kraft wird gerade durch die auf die Stirnfläche 27 wirkende hydraulische Kraft auf Grund des Niederdruckes im Niederdruckraum 28 kompensiert. Dies ist auch anhand der 3 in weiterem Detail beschrieben.
  • Der Steuerventilkörper 26 weist eine Stufe 40 auf, die an dem Führungsbolzen 29 vorgesehen ist. Ferner weist der Steuerventilkörper 26 eine Steuerstufe 41 auf, die der Stufe 40 zugewandt ist. Zwischen den Stufen 40, 41 ist ein mittlerer Abschnitt 42 des Steuerventilkörpers 26 mit einem verringerten Durchmesser gegenüber einem Durchmesser des Führungsbolzens 29 ausgestaltet. Für diese Ausgestaltung weist der Steuerventilkörper 26 zwischen der Stufe 40 und der Steuerstufe 41 an dem mittleren Abschnitt 42 eine ringförmige Ausnehmung 43 auf. Durch die ringförmige Ausnehmung 43 ist gegenüber der Führungsbohrung 30 ein Ringspalt 44 vorgegeben. Der Bypasskanal 21, der einerseits von dem Hochdruckzulauf 8 abzweigt, mündet andererseits in den Ringspalt 44.
  • Zwischen der Steuerstufe 41 und einer an dem Gehäuseteil 31 ausgebildeten Sitzfläche 45 ist ein zweiter Sitz 46 gebildet, wie es auch anhand der 4 in weiterem Detail beschrieben ist.
  • 3 zeigt eine auszugsweise Darstellung des Steuerventils 15 mit dem Steuerventilkörper 26 zur weiteren Erläuterung der Erfindung. Der Führungsbolzen 29 des Steuerventilkörpers 26 weist einen Durchmesser DF auf. Dieser Durchmesser DF ist dabei gleich einem Durchmesser der Führungsbohrung 30 in dem Gehäuseteil 31. Auf die Stirnfläche 27 des Führungsbolzens 29 des Steuerventilkörpers 26 wirkt der Niederdruck PL des Brennstoffrücklaufs 16 im Niederdruckraum 28. Die wirksame Fläche, auf die der Niederdruck PL bezüglich des Steuerventilkörpers 26 einwirkt, ergibt sich dabei aus dem Durchmesser DF des Steuerventilkörpers 26 im Bereich des Führungsbolzens 29.
  • In der 3 ist eine Stellung des Steuerventilkörpers 26 gezeigt, in der ein Dichtsitz zwischen der Steuerkante 33 und der Drosselplatte 11 am ersten Sitz 34 geschlossen ist. Daher befindet sich in der Ausnehmung 35 unter Niederdruck PL des Brennstoffrücklaufs 16 stehender Brennstoff. Durch die Steuerkante 33 ist dabei die wirksame Fläche vorgegeben, über die der Niederdruck PL auf den Steuerventilkörper 26 einwirkt. In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich die wirksame Fläche aus dem Durchmesser DS1 der Steuerkante 33 des ersten Sitzes 34.
  • Der zweite Sitz 46 ist geöffnet, so dass im Übrigen Hochdruck auf den Steuerventilkörper 26 aus dem Ventilraum 32 einwirkt. Eine resultierende Kraft FS1 auf den Steuerventilkörper 26 ergibt sich aus dem Hochdruck PCR im Ventilraum 32, wenn der Durchmesser DF des Führungsbolzens 29 des Steuerventilkörpers 26 unterschiedlich ist zu dem Durchmesser DS1 der Steuerkante 33 des Steuerventilkörpers 26 im ersten Sitz 34. Die resultierende Kraft FS1 ergibt sich als Produkt mit einem Faktor, der gleich einem Viertel der Ludolfschen Zahl Π ist, einem weiteren Faktor, der gleich dem Druck PCR im Ventilraum 32 (oder dem Druck im Common-Rail 2) ist, und einem weiteren Faktor, der eine Differenz ist mit einem Minuend, der gleich dem Quadrat des Durchmessers DS1 des ersten Sitzes 34 ist, und einem Subtrahend, der gleich dem Quadrat des Durchmessers DF des Führungsbolzens 29 des Steuerventilkörpers 26 ist:
    siehe Formel (1).
  • Für die Kraft FS1 auf den Steuerventilkörper 26 ergeben sich somit drei verschiedene Fälle.
  • Erstens kann der Durchmesser DS1 größer sein als der Durchmesser DF. In diesem Fall saugt sich der Steuerventilkörper 26 gewissermaßen am ersten Sitz 34 fest. Dadurch ergibt sich eine hydraulische Haltekraft oder Schließkraft. Zur Betätigung, das heißt zum Öffnen des ersten Sitzes 34, ist daher eine Stellkraft erforderlich, die neben der hydraulischen Kraft gegebenenfalls die Kraft der Ventilfeder 20 berücksichtigt.
  • Zweitens kann Durchmesser DS1 gleich dem Durchmesser DF sein. In diesem Fall ist ein hydraulischer Ausgleich bezüglich des Steuerventilkörpers 26 geschaffen. Die Stellkraft des beispielsweise als Magnetaktor 19 ausgestalteten Aktors 19 muss dann gegebenenfalls die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden.
  • Drittens kann der Durchmesser DS1 kleiner sein als der Durchmesser D. In diesem Fall ergibt sich eine hydraulische Öffnungskraft, die den Steuerventilkörper 26 aus dem ersten Sitz 34 hebt. Um das Steuerventil 15 in der ersten Schaltstellung 15A, das heißt bei geschlossenem ersten Sitz 34, zu halten, ist daher eine Stellkraft des Magnetaktors 19 erforderlich, die gegebenenfalls zusätzlich die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden muss. Allerdings ist auch eine Unterstützung durch die Ventilfeder 20 möglich, wie es in der 2 veranschaulicht ist.
  • 4 zeigt das Steuerventil 15 mit dem Steuerventilkörper 26 in einer der 3 entsprechenden Darstellung, wobei der Steuerventilkörper 26 in einer Position dargestellt ist, in der die Verbindung des Ventilraums 32 mit dem Hochdruckzulauf 8 über den Bypasskanal 21 gesperrt ist. Dabei ist der zweite Sitz 46 geschlossen. In diesem Fall ist die Verbindung des Ventilraums 32 mit dem Brennstoffrücklauf 16 geöffnet, das heißt, der erste Sitz 35 ist geöffnet. Somit ist der Druck im Ventilraum 32 abgesenkt, gegebenenfalls bis auf den Niederdruck PL. Allerdings ist der erste Sitz 34 geschlossen, so dass sich in dem gegenüber dem Ventilraum 32 nun abgetrennten Ringspalt 44 unter hohem Druck PCR stehender Brennstoff befindet. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des zweiten Sitzes 46 kann sich eine verschwindende hydraulische Kraft FS2 oder eine nicht verschwindende hydraulische Kraft FS2 auf den Steuerventilkörper 26 ergeben. Dies hängt davon ab, ob die wirksame Fläche, über die der Hochdruck PCR auf die Stufe 40 einwirkt, unterschiedlich ist zu der wirksamen Fläche, auf die der Hochdruck PCR im Bereich der Steuerstufe 41 wirksam ist.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist die Führungsbohrung 29 im Bereich des zweiten Sitzes 46 etwas zurückgesetzt, wie es durch eine Anschrägung 47 veranschaulicht ist. Dadurch ergibt sich gegenüber dem Durchmesser DF der Führungsbohrung im Bereich der Stufe 40 ein größerer Durchmesser DS2 des zweiten Sitzes 46, an dem die Steuerstufe 41 mit dem Gehäuseteil 31 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.
  • Die resultierende hydraulische Kraft FS2 auf den Steuerventilkörper 26 ergibt sich als Produkt mit einem Faktor, der gleich einem Viertel der Ludolfschen Zahl Π ist, einem weiteren Faktor, der gleich dem Hochdruck PCR im Ringspalt 44 ist, und einem weiteren Faktor, der eine Differenz ist mit einem Minuend, der gleich dem Quadrat des Durchmessers DS2 des zweiten Sitzes 46 ist, und einem Subtrahend, der gleich dem Durchmesser DF des Führungsbolzens 29 des Steuerventilkörpers 26 ist:
    siehe Formel (2).
  • Somit ergeben sich zwei Fälle für die wirksame hydraulische Kraft FS2 auf den Steuerventilkörper 26.
  • Erstens kann der Durchmesser DS2 größer sein als der Durchmesser DE. In diesem Fall drückt der Druck PCR des Common-Rails 2 den Ventilkörper 26 aus dem zweiten Sitz 46. Somit ist eine Kraft zum Halten des Steuerventils 15 in der zweiten Schaltstellung 15B erforderlich. Diese Kraft kann von der Ventilfeder 20 und/oder dem Magnetaktor 19 aufgebracht werden. In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel muss der Magnetaktor 19 sowohl die hydraulische Kraft FS2 als auch die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden, um das Steuerventil 15 in der zweiten Schaltstellung 15B zu halten.
  • Zweitens kann der Durchmesser DS2 gleich dem Durchmesser DF sein. In diesem Fall verschwindet die resultierende hydraulische Kraft FS2 auf den Steuerventilkörper 26. Das Steuerventil 15 mit dem Steuerventilkörper 26 ist dann hydraulisch kraftausgeglichen. Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel muss der Magnetaktor 19 zum Halten des Steuerventils 15 in der zweiten Schaltstellung 15B dann die Kraft der Ventilfeder 20 überwinden.
  • Der Fall, dass der Durchmesser S2 kleiner ist als der Durchmesser DF ist bei den anhand der 3 und 4 beschriebenen Ausgestaltungen konstruktiv nicht umsetzbar, um eine Montage des Steuerventilkörpers 26 in der Führungsbohrung 29 zu ermöglichen.
  • 5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Stellkraft FS, die von dem Magnetaktor 19 aufzubringen ist. Hierbei ist in der 5 ein Fall dargestellt, in dem der Magnetaktor 19 gegen die Kraft FV der Ventilfeder 20 arbeitet. Hierbei ist auf der Abszisse ein Hub H des Steuerventilkörpers 26 angetragen. Hierbei ist mit S1 die erste Schaltstellung 15A gekennzeichnet und mit S2 die zweite Schaltstellung 15B. An der Ordinate ist die Kraft FS des Magnetaktors 19, das heißt die Stellkraft, angetragen. Die Kurve 50 veranschaulicht den Kraftverlauf im Bereich des ersten Sitzes 34 beim Öffnen des ersten Sitzes 34 für den Fall, dass der Durchmesser DS1 größer ist als der Durchmesser DF. Die Kurve 51 veranschaulicht hingegen einen Fall, in dem der Magnetaktor 19 den ersten Sitz 34 öffnet, wenn der Durchmesser DS1 kleiner ist als der Durchmesser DF. Die Kurve 52 gibt den Fall an, in dem der Durchmesser D1 gleich dem Durchmesser DF ist.
  • Die Kurve 53 veranschaulicht den Fall zum Öffnen des zweiten Sitzes 46 beziehungsweise zum Geschlossenhalten des zweiten Sitzes 46, wenn der Durchmesser DS2 größer ist als der Durchmesser D. Hierbei muss der Magnetaktor 19 sowohl die Kraft FV der Ventilfeder 20 als auch die in Öffnungsrichtung wirkende hydraulische Kraft überwinden. Die Kurve 54 veranschaulicht den Fall, in dem der Durchmesser DS2 gleich dem Durchmesser DF ist.
  • Durch konstruktive Maßnahmen können ohne weiteres auch Kurven in den Bereichen 56 beziehungsweise 57 realisiert werden, um eine Betätigung mittels geeigneter Stellkräfte zu realisieren.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10353169 A1 [0002, 0004]

Claims (12)

  1. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit dem Aktor (19) und einer Düsennadel (4), wobei die Düsennadel (4) mittels eines Steuerventils (15) von dem Aktor (19) betätigbar ist, wobei das Steuerventil (15) einen Ventilraum (32) aufweist, der über einen Bypasskanal (21) mit einem Hochdruckzulauf (8) verbindbar ist, und wobei das Steuerventil (15) einen Steuerventilkörper (26) aufweist, der zum Steuern der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Hochdruckzulauf (8) über den Bypasskanal (21) und zum Steuern einer Verbindung des Ventilraums (32) mit einem Brennstoffrücklauf (16) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilkörper (26) beim Steuern der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Brennstoffrücklauf (16) zumindest annähernd kraftausgeglichen ist und dass der Steuerventilkörper (26) beim Steuern der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Hochdruckzulauf (8) über den Bypasskanal (21) zumindest annähernd kraftausgeglichen ist.
  2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (19) als Magnetaktor ausgestaltet ist.
  3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilfeder (20) vorgesehen ist, die den Steuerventilkörper (26) beaufschlagt.
  4. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilkörper (26) eine Stirnfläche (27) aufweist, an der der Steuerventilkörper (26) von einem Niederdruck des Brennstoffrücklaufs (16) beaufschlagt ist, dass der Steuerventilkörper (26) an einem der Stirnfläche (27) abgewandten Ende eine Steuerkante (33) für einen ersten Sitz (34) aufweist und dass eine durch die Steuerkante (33) des Steuerventilkörpers (26) bestimmte wirksame Fläche des Steuerventilkörpers (26) mit dem Niederdruck des Brennstoffrücklaufs (16) beaufschlagt ist, wobei die durch die Steuerkante (33) bestimmte wirksame Fläche zumindest annähernd gleich einer wirksamen Fläche der Stirnfläche (27) des Steuerventilkörpers (26) ist.
  5. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Steuerkante (33) des Steuerventilkörpers (26) bestimmte wirksame Fläche gleich der wirksamen Fläche der Stirnfläche (27) des Steuerventilkörpers (26) ist, um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Brennstoffrücklauf (16) einen hydraulischen Kraftausgleich an dem ersten Sitz (34) für den Steuerventilkörper (26) zu erreichen.
  6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Steuerkante (33) des Steuerventilkörpers (26) bestimmte wirksame Fläche etwas größer ist als die wirksame Fläche der Stirnfläche (27) des Steuerventilkörpers (26), um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Brennstoffrücklauf (16) eine hydraulische Schließkraft an dem ersten Sitz (34) zu erzeugen.
  7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Steuerkante (33) des Steuerventilkörpers (26) bestimmte wirksame Fläche etwas kleiner ist als die wirksame Fläche der Stirnfläche (27) des Steuerventilkörpers (26), um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Brennstoffrücklauf (16) eine hydraulische Öffnungskraft an dem ersten Sitz (34) zu erzeugen.
  8. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilkörper (26) in einer Führungsbohrung (30) angeordnet ist, dass der Steuerventilkörper (26) im Bereich der Führungsbohrung (30) zumindest eine Stufe (40) aufweist, wobei der Steuerventilkörper (26) an der Stufe (40) über den Bypasskanal (21) mit einem Hochdruck des Hochdruckzulaufs (8) beaufschlagt ist, dass der Steuerventilkörper (26) eine Steuerstufe (41) aufweist, die der Stufe (40) zugewandt ist, dass an der Steuerstufe (41) ein zweiter Sitz (46) vorgesehen ist, der zum Sperren der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Hochdruckzulauf (8) über den Bypasskanal (21) dient, und dass eine durch den zweiten Sitz (46) vorgegebene wirksame Fläche des Steuerventilkörpers (26) an der Steuerstufe (41) zumindest annähernd gleich einer wirksamen Fläche an der Stufe (40) des Steuerventilkörpers (26) ist.
  9. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den zweiten Sitz (46) vorgegebene wirksame Fläche des Steuerventilkörpers (26) an der Steuerstufe (41) gleich ist einer wirksamen Fläche an der Stufe (40) des Steuerventilkörpers (26), um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Hochdruckzulauf (8) über den Bypasskanal (21) einen hydraulischen Kraftausgleich an dem zweiten Sitz (46) für den Steuerventilkörper (26) zu erreichen.
  10. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den zweiten Sitz (46) vorgegebene wirksame Fläche des Steuerventilkörpers (26) an der Steuerstufe (41) größer ist als die wirksame Fläche an der Stufe (40) des Steuerventilkörpers (26), um beim Sperren der Verbindung des Ventilraums (32) mit dem Hochdruckzulauf (8) über den Bypasskanal (21) eine hydraulische Schließkraft an dem zweiten Sitz (46) für den Steuerventilkörper (26) zu erreichen.
  11. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilkörper (26) in einer Führungsbohrung (30) geführt ist, dass der Steuerventilkörper (26) zwischen der Stufe (40) und der Steuerstufe (41) eine ringförmige Ausnehmung (43) aufweist und dass der Bypasskanal (21) in einen durch die ringförmige Ausnehmung (43) des Steuerventilkörpers (26) und die Führungsbohrung (30) vorgegebenen Ringspalt (44) mündet.
  12. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerventilkörper (26) einen Führungsbolzen (29) aufweist, an dem der Steuerventilkörper (26) in der Führungsbohrung (30) geführt ist, dass eine Stirnfläche (27) des Steuerventilkörpers (26) an dem Führungsbolzen (29) des Steuerventilkörpers (26) ausgebildet ist und dass eine wirksame Fläche der Stirnfläche (27) des Steuerventilkörpers (26) durch einen Durchmesser des Führungsbolzens (29) bestimmt ist.
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